用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法技术

本发明专利技术公开用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法，包括以下步骤：(1)根据需求评估方形螺旋结构的最大尺寸，确定超材料单元晶格的边长a和单元内方形螺旋线圈的最大边长b；根据实际制作工艺确定线圈导线宽度w以及匝间距s；(2)对方形螺旋结构的匝数优化设计；(3)基于有限元仿真确定谐振频率并验证负磁导率特性；(4)添加不同浓度或粒径的磁流变液；(5)评估浓度以及粒径对谐振频率的影响；(6)满足系统实际尺寸需求并实现频率漂移范围内谐振频率动态可调。本发明专利技术的设计方法将谐振频率定位在kHz

【技术实现步骤摘要】
用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法


[0001]本专利技术涉及超材料领域，具体涉及一种用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法。

技术介绍

[0002]无线充电技术支持负载设备以非接触方式获取电能，在电力设备供电领域得到了广泛应用。磁耦合谐振式无线充电技术由于具有传能效率高、传输功率大、传能距离远、无严格的方向性等优点，作为新的电能存储和传输技术已经受到人们的普遍关注，为电力设备供电提供了新方案，有着广阔的工程应用前景，如变电站巡检机器人无线充电、SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)无线充电、高压一次设备射频功放电源无线充电及中高压电气设备在线监测系统无线充电等。
[0003]在实际工程应用中，高效、远距离、小型化依然是无线充电
仍需突破的关键问题。电磁超材料的负磁导率特性可调控磁场，为突破现有无线充电技术瓶颈提供了可能。
[0004]目前基于电磁超材料的无线充电技术研究都是基于定频设计开展的，电磁超材料制作完成后，谐振频率点无法调整。无线电能传输系统对谐振频率的变化十分敏感，电路的温升、内阻、寄生参数和负载的改变，以及线圈间轴向距离、径向位移和角度偏转等都会影响谐振频率，造成频率漂移。其谐振频率与无线电能传输系统的谐振频率变化一致。
[0005]电磁超材料的奇异电磁特性来源于超材料的电磁谐振，而电磁谐振由基元结构的电感和电容产生。目前，电磁超材料的研究和应用主要集中于GHz高频领域，如微波工程和光学领域。在高频电磁超材料设计领域，最经典的电磁超材料结构为开口谐振环，若直接将这种结构应用于谐振频段分布在kHz
‑
MHz的电力设备无线充电系统中的电磁超材料，系统尺寸较大，难以在实际工程中应用。因此需要设计兼顾低频和小型化的电磁超材料。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服现有技术的缺点，针对频率漂移的实际工况，提出一种用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法，是一种谐振频率可动态调节的电磁超材料设计方法，本专利技术电磁超材料设计方法可应用于无线电能传输系统，可减少无线充电系统漏磁，增加传输效率和距离，为促进无线充电技术的发展和应用开辟了新方向。
[0007]本专利技术电磁超材料设计方法是在基于印刷电路板技术的平面螺旋结构电磁超材料基础上，提出一种基于磁流变液的旨在实现谐振频率动态可调并兼顾低频和小型化的电磁超材料设计。
[0008]本专利技术采用如下技术方案：
[0009]用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法，包括以下步骤：
[0010](1)确定电磁超材料单元晶格的边长和所述电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长；
[0011](2)对所述方形螺旋线圈的匝数优化设计；
[0012](3)基于有限元仿真确定电磁超材料的谐振频率并验证负磁导率特性；
[0013](4)利用不同浓度的磁流变液和/或不同粒径磁纳米粒的磁流变液对电磁超材料相对磁导率进行调控；
[0014](5)评估磁流变液浓度和/或磁流变液中磁纳米粒粒径对电磁超材料的谐振频率的影响。
[0015]进一步地，步骤(1)中，所述方形螺旋结构为基于印刷电路板技术的平面螺旋结构。
[0016]进一步地，步骤(1)中，根据公式(1)确定电磁超材料单元晶格的边长和所述电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长；所述公式(1)如下：
[0017][0018]其中，其中ω0为电磁超材料谐振频率，单位是rad/s；L
eff
为等效电感值，单位是H；C为电磁超材料电容值，单位是F。
[0019]进一步地，步骤(2)中，根据方形螺旋线圈的谐振器单元等效磁导率计算公式对方形螺旋结构的匝数优化设计；所述方形螺旋线圈的谐振器单元等效磁导率计算公式为：
[0020][0021][0022]其中，a为电磁超材料单元晶格的边长，b为电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长。根据公式(2)和公式(3)对方形螺旋线圈的匝数进行计算。ω是电磁超材料的工作频率；σ是绕制线圈材料的电导率，i是虚部单位，σi表示模值为σ的一个纯虚数；a与b的单位均是m；σ是绕制线圈材料的电导率，单位是S/m；μ0真空磁导率，单位是H/m；ω0是电磁超材料的谐振频率，单位是rad/s；ε0表示真空介电常数，单位是F/m；C是电磁超材料电容值，单位是F；N为方形螺旋线圈匝数，单位是匝；s为方形螺旋线圈匝间距，单位是m。
[0023]进一步地，步骤(3)中，电磁超材料结构参数确定后根据有限元仿真确定电磁超材料的谐振频率；所述结构参数为：电磁超材料单元晶格的边长a(即线圈所在晶格的边长a)；电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长b(即线圈外边长b)；线圈中导线宽度w和线圈匝间距s。
[0024]进一步地，步骤(3)中，根据公式(2)和(3)基于有限元仿真确定电磁超材料的谐振频率并验证负磁导率特性，所述公式(2)和(3)如下：
[0025][0026][0027]其中，a为超材料单元晶格的边长,单位是m；b为电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长，单位是m；σ是绕制线圈材料的电导率，单位是S/m，i是虚部单位，σi表示模值为σ的一个纯虚数；μ0是真空磁导率，单位是H/m；ω是电磁超材料的工作频率；ε0表示真空介电常数，单位是F/m；C为电磁超材料电容值，单位是F；N为所述线圈匝数，s为所述线圈匝间距，
单位是m。
[0028]进一步地，步骤(3)中，电磁超材料的谐振频率计算公式为：
[0029][0030]其中，ω0为电磁超材料谐振频率，L
eff
为等效电感值，C为电磁超材料电容值；ω0单位是rad/s；L
eff
单位是H；C单位是F。
[0031]进一步地，步骤(4)中，浓度和磁纳米粒粒径不同时，磁流变液的磁导率也在改变，磁导率的变化会改变磁阻分布，进而改变电磁超材料的等效电感值，实现对谐振频率的动态调控。
[0032]进一步地，步骤(5)中，所述评估磁流变液浓度以及粒径对谐振频率的影响通过如下进行：建立磁流变液的特性参数与自身BH曲线的关系，采用BH曲线进行磁流变液和电磁超材料的数值建模分析，所采用计算公式如下：
[0033]B＝μ0(1+X)H
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0034][0035]M0＝N
×
m0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0036][0037][0038]其中，N与磁流变液浓度，磁纳米粒粒径相关，m
o
与磁纳米粒粒径相关。B表示磁感应强度，单位是T；H表示磁场强度，单位是A/m；μ0真空磁导率，单位是H/m；X表示磁化率，单位是m^3
·
kg
‑1；M0是单位体积磁纳米粒的最大磁化强度,单位是A/m；N是单位体积内磁纳米粒个数；m<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定电磁超材料单元晶格的边长和所述电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长；(2)对所述方形螺旋线圈的匝数优化设计；(3)基于有限元仿真确定电磁超材料的谐振频率并验证负磁导率特性；(4)利用不同浓度的磁流变液和/或不同粒径磁纳米粒的磁流变液对电磁超材料相对磁导率进行调控；(5)评估磁流变液浓度和/或磁流变液中磁纳米粒粒径对电磁超材料的谐振频率的影响。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(1)中，所述方形螺旋结构为平面螺旋结构。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(1)中，根据公式(1)确定单元内方形螺旋线圈的最大边长；所述公式(1)如下：其中，其中ω0为电磁超材料谐振频率，单位是rad/s；L
eff
为等效电感值，单位是H；C为电磁超材料电容值，单位是F。4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(2)中，根据方形螺旋线圈的谐振器单元等效磁导率计算公式对方形螺旋结构的匝数优化设计；所述方形螺旋线圈的谐振器单元等效磁导率计算公式为：单元等效磁导率计算公式为：其中，a为超材料单元晶格的边长,单位是m；b为电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长，单位是m；σ是绕制线圈材料的电导率，单位是S/m，i是虚部单位，σi表示模值为σ的一个纯虚数；μ0是真空磁导率，单位是H/m；ω是电磁超材料的工作频率；ε0表示真空介电常数，单位是F/m；C为材料电容值，单位是F；N为线圈匝数，s为线圈匝间距，单位是m；根据公式(2)和公式(3)对方形螺旋线圈的匝数进行计算。5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(3)中，电磁超材料结构参数确定后根据有限元仿真确定电磁超材料的谐振频率；所述结构参数为：电磁超材料单元晶格的边长a；电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长b；线圈中导线宽度w和线圈匝间距s。6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(4)中，所述浓度和磁纳米粒粒径不同时，磁流变液的磁导率也在改变，磁导率的变化会改变磁阻分布，进而改变电磁超材料的等效电感值，实现对谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：刁雪梅，刘国强，李士强，张超，李艳红，罗兵，徐永生，肖微，曾向君，王婷婷，张豪峰，陈少杰，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：